7) Module à effet Peltier-Seebeck

TPn°7
ETUDE D'UN MODULE THERMIQUE A EFFET PELTIER-SEEBECK
(Paola Giura, Frédéric Moulin)
I) Introduction
Les effets Peltier et Seebeck sont connus depuis très longtemps. Ils mettent en oeuvre une ou
plusieurs jonctions entre deux conducteurs électriques de nature différente:
L'effet SEEBECK découvert en 1821 par le physicien allemand Thomas Johann Seebeck qui
démontre qu'une différence de température entre deux soudures de métaux différents, génère un
courant électrique ou une différence de potentiel. La principale application est la mesure de
température par thermocouple.
L'effet PELTIER découvert en 1834 par le physicien français Jean-Charles-Athanase Peltier qui
met en évidence le phénomène inverse de l'effet Seebeck. Un courant qui circule entre deux
soudures de métaux différents, génère une différence de température dépendant du sens de
circulation du courant. La principale application est la fabrication de petits systèmes de
refroidissements pour l'électronique, les lasers, la biologie ...
II) Préambule théorique
a) Rappels sur les lois d'Ohm et de Fourier
Lorsqu’un conducteur est soumis à l’action d’un champ électrique
E
r
, on observe localement une
densité de flux de courant j
r
, obéissant à la relation vectorielle:
Ej
r
r
σ =
(loi d'Ohm locale)
ou est la conductivité électrique du matériau.
)m.S(
1−
σ
Une situation semblable existe en conduction thermique, lorsqu’un conducteur est placé entre deux
températures différentes, on observe localement une densité de flux de chaleur proportionnelle à
la différence de température via son gradient
q
r
T∇
r
tel que :
Tq
0
∇−=
r
r
λ
(loi de Fourier locale)
où est la conductivité thermique du matériau à champ électrique nul (le signe
négatif présent dans la loi de Fourier, traduit l'orientation du flux thermique des hautes vers les
basses températures)
)K.m.W( 11
0
−−
λ

TPn°7
Le module thermoélectrique Peltier-Seebeck que vous utiliserez, est un dispositif qui nous
permettra de mettre en évidence les effets croisés qui peuvent se manifester lorsqu’un matériau est
en présence à la fois d’un champ électrique
E
r
et d’un gradient en température
T∇
r
. On aura donc
une possible influence du champ électrique sur le flux de chaleur, et une possible influence du
gradient de température sur le courant électrique. Ces effets restent linéaires et on peut toujours
écrire les relations générales suivantes:
EMTq
0
r
r
r
+∇−= λ
TLEj ∇−=
r
r
r
σ
Les quatre coefficients L,,M,
0
σ
λ
sont appelés les coefficients cinétiques du matériau et par
certaines considérations théoriques (Onsager), il a été établi d'une manière générale que les deux
coefficients L et M sont reliés par une relation simple:
TLM
=
.
Le système d'équation ci-dessus peut donc se réécrire d'une manière plus explicite en utilisant cette
dernière relation ainsi que le champ électrique
E
r
:
jTTq
r
r
r
ελ +∇−=
TjE ∇+=
r
r
r
ερ
avec:
σ
ρ
/1=
la résistivité électrique du matériau, la conductivité thermique en
présence d'un champ électrique et
2
0TL
ρλλ −=
L
ρ
ε
=
le pouvoir thermoélectrique.
Le coefficient
ε
, est le paramètre qui va nous intéresser ici car il est à l'origine des effets Peltier et
Seebeck qui s'observent en utilisant une ou plusieurs jonctions (ou soudures) entre deux matériaux
conducteurs de natures différentes.
b) L'effet Seebeck
∆ V
soudure à T
1
soudure à T
2
conducteur A
conducteur B
conducteur B
12
Voltmètre à T
0
∆ V
soudure à T
1
soudure à T
2
conducteur A
conducteur B
conducteur B
12
Voltmètre à T
0
Sur le montage expérimental ci-contre, il est
facile de mettre en évidence l'effet Seebeck
qui apparaît sous forme d'une tension, lorsque
les soudures entre deux matériaux
conducteurs sont portées à des températures
différentes:

TPn°7
En l'absence de courant ( 0j =
r
) nous pouvons écrire la relation:
TE ∇=
r
r
ε
qui devient le long des fils:
dTld.Tld.EdV εε −=∇−=−=
r
r
r
r
La mesure de la différence de potentiel
V
∆
est effectuée avec un voltmètre classique qui
n'intervient pas dans l'effet Seebeck puisque ses contacts avec le conducteur B sont à la même
température:
()
∫∫∫∫∫∫ −=++==−=−= 2
1
0
2
2
1
1
0
T
TBA
T
TB
T
TA
T
TB
2
1
2
1
21 dTdTdTdTdTdVVVV
εεεεεε∆
Si on se place dans un régime de température où la différence des deux pouvoirs thermoélectriques
A
ε
et
B
ε
des deux conducteurs (A) et (B) dépend peu de la température elle même, on obtient la
relation usuelle:
TT)(V
B
A
∆
α
∆
ε
ε
∆
=
−
=
Avec
α
représentant le coefficient de Seebeck donné par des tables.
D’un point de vue électrocinétique, la soudure se comporte comme un générateur de force
électromotrice fem=. Dans un module thermoélectrique la force électromotrice générée est
augmentée en mettant un nombre important de soudures en série.
V∆
c) L'effet Peltier
Cette fois-ci on fait passer un courant électrique à travers les jonctions. On observe alors à
l'interface une absorption ou un dégagement de chaleur suivant le sens du courant. Prenons en
considération une soudure de section S, à la température T, entre deux matériaux comme indiqué
sur la figure ci-dessous:
P=T( ε
A
- ε
B
)I
I
conducteur A conducteur B
P=T( ε
A
- ε
B
)I
I
conducteur A conducteur B
Fig 1: Effet Peltier avec dégagement ou absorption de chaleur au
niveau de la jonction entre deux conducteurs de natures différentes.

TPn°7
En situation isotherme sur une seule jonction
T∇
r
=0 et en présence de courant nous pouvons écrire
la relation:
jTq
r
r
ε =
Plus précisément nous avons: jTq
A
A
r
r
ε = dans A et jTq
BB
r
r
ε = dans B. Le courant est le
même dans les deux conducteurs. Il en résulte donc que
jSI =
BA
qq
r
r
≠
et donc la puissance thermique P
qui traverse la soudure est non nulle et dépend du sens du courant:
()
(
)
ITSqqP
B
A
B
A
ε
ε
−
=
−
=
Dans un module Peltier cet effet est augmenté en mettant en série N soudures:
()
INTP
B
A
ε
ε
−=
Pour des raisons pratiques, on introduit le coefficient Peltier:
(
)
T
π
dépendant de la température et
caractérisant le type de jonction:
(
)
)T()T(NT)T(
B
A
ε
ε
π
−
=
ce qui nous permet de calculer directement les puissances thermiques absorbée ou dégagée aux
niveau des deux soudures:
I)T(P
11
π
=
I)T(P
22
π
−
=
(le courant I circule de A vers B dans la soudure à et de B vers A dans la soudure à )
1
T
2
T
L'effet Peltier a une interprétation microscopique lié au transport d'entropie par les porteurs de
charge (électrons ou trous) au sein du matériau. En passant d'un conducteur A à un conducteur B, les
électrons ou les trous passent d'une entropie transportée
A
s
à une entropie . Il y a donc
absorption ou libération de chaleur
B
s
)ss(T
B
A
−
dépendant du sens de la traversée de la jonction par
la charge électrique. Une charge qui gagne de l'entropie absorbe de la chaleur.

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III) Manipulations
a) Expérience historique sur l'effet SEEBECK
Refaire l'expérience historique de Seebeck présentée ci-dessous et interpréter.
cuivre
fer
chauffage par
Bec bunsen
aiguille aimantée
T
f
(soudure froide)
T
c
(soudure chaude)
cuivre
fer
chauffage par
Bec bunsen
aiguille aimantée
T
f
(soudure froide)
T
c
(soudure chaude)
Fig2: Expérience historique de Seebeck réalisée en 1821. Deux soudures Fer-
Cuivre sont soumises à des températures différentes.
b) Module de démonstration à jonction semi-conductrice p-n et n-p
Pour obtenir des effets Seebeck et Peltier importants, la technologie actuelle utilise des assemblages
de semi-conducteurs de types n et p pour lesquels les porteurs de charges sont respectivement des
électrons et des trous. Les jonctions sont de deux types: p-n sur une face et n-p sur l'autre face:
p
n
p
n
Face à la température T
1
Face à la température T
2
p
n
pp
n
pp
n
Face à la température T
1
Face à la température T
2
Fig3: Module thermoélectrique utilisant des jonctions de semi-conducteur
p-n et n-p reliés par des ponts métalliques en cuivre.